王世清 ，冀正欣 ，盧龍輝 ，段亞明 ，許月卿 ,2※

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193；2.自然資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193；3.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境不斷惡化，水資源短缺、極端干旱事件的影響日益增強(qiáng)，林地提供的水源涵養(yǎng)功能與社會(huì)需求的水源涵養(yǎng)服務(wù)不一致的矛盾不斷突出[1]。因此，自20世紀(jì)70年代起，中國(guó)陸續(xù)實(shí)施了一系列生態(tài)建設(shè)工程，林地面積持續(xù)增加，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到明顯改善。但持續(xù)增加的林地面積是否引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的持續(xù)發(fā)揮成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。部分學(xué)者認(rèn)為不是森林越多其所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能就越強(qiáng)，由于多種功能之間存在權(quán)衡關(guān)系，功能變化也往往是非線性的，因此功能存在最優(yōu)區(qū)間及對(duì)應(yīng)閾值[2-3]。水源涵養(yǎng)功能是林地最重要的生態(tài)功能之一，在調(diào)節(jié)水循環(huán)、改善水文狀況及維持生態(tài)系統(tǒng)平衡等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[4]，特別是在干旱、半干旱的生態(tài)脆弱山區(qū)，水源涵養(yǎng)功能對(duì)維持生態(tài)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。水源涵養(yǎng)功能由產(chǎn)水量和徑流量共同決定，隨著林地面積擴(kuò)大，林地蒸騰作用的增強(qiáng)會(huì)減少地下水補(bǔ)給和流域徑流總量甚至減少旱季基流[5]，從而影響水源涵養(yǎng)功能。不同學(xué)者對(duì)林地與產(chǎn)水量之間的關(guān)系也存在不同觀點(diǎn)，SUN等[6-7]研究認(rèn)為林地的增加會(huì)降低年產(chǎn)水量，而TEIXEIRA等[8]則認(rèn)為林地的再生增加了森林產(chǎn)水量[6-8]。此外，不同立地條件、林地空間布局和林分結(jié)構(gòu)也會(huì)影響水源涵養(yǎng)功能的發(fā)揮。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)林地資源的研究主要集中于林地動(dòng)態(tài)變化及驅(qū)動(dòng)力分析[9]、森林生物量估算[10-11]、退耕還林影響[12-13]等方面，有關(guān)水源涵養(yǎng)功能的研究多關(guān)注區(qū)域水源涵養(yǎng)功能的變化特征及影響因素分析[14-15]，影響因素多側(cè)重氣候變化、地形、人類活動(dòng)、土地利用類型等方面[16-19]。由于水源涵養(yǎng)功能受多種因素共同影響，其過(guò)程較為復(fù)雜，林分結(jié)構(gòu)較難定量描述等[20]，目前就林地面積和林分結(jié)構(gòu)變化對(duì)水源涵養(yǎng)功能影響及其耦合關(guān)系的研究較少見(jiàn)，林地面積和結(jié)構(gòu)與水源涵養(yǎng)功能之間的相互關(guān)系成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界亟需解決的熱點(diǎn)問(wèn)題。

張家口市地處干旱半干旱過(guò)渡的農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)，位于京津上風(fēng)上水位置，是京津地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)屏障[21]，承擔(dān)著提供清潔水源和阻擋風(fēng)沙的任務(wù)。但張家口市降水量小、蒸發(fā)量大，人均水資源占有量不足全國(guó)平均量的1/5。20世紀(jì)80年代以來(lái)，張家口水資源量和向京輸水量均呈下降趨勢(shì)，全市水利基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，水源涵養(yǎng)功能亟需增強(qiáng)。自1978年以來(lái)，張家口市陸續(xù)實(shí)施了“三北”防護(hù)林建設(shè)、京津風(fēng)沙源治理、退耕還林、封山育林、飛播造林等一系列生態(tài)建設(shè)工程，林地面積持續(xù)擴(kuò)大，林地時(shí)空分布格局不斷變化，林分結(jié)構(gòu)發(fā)生重組，水源涵養(yǎng)功能變化顯著，亟待加強(qiáng)林地和水源涵養(yǎng)功能時(shí)空變化及其耦合關(guān)系研究，以順應(yīng)研究區(qū)定位首都水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)支撐區(qū)的建設(shè)需要，為林地規(guī)劃和生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

鑒于此，本文以張家口市為研究區(qū)，基于遙感影像數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、林地?cái)?shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，綜合運(yùn)用InVEST模型、SPSS模型等方法模型，系統(tǒng)分析張家口市1990—2020年林地和水源涵養(yǎng)功能的時(shí)空格局演變特征，探討林地和水源涵養(yǎng)功能的相互關(guān)系，以期為張家口市林地布局調(diào)整、樹(shù)種選擇和生態(tài)建設(shè)工程的實(shí)施提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

張家口市位于河北省西北部，地處干旱、半干旱的農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)，地理位置介于39°30'～42°10'N，113°50'～116°30'E之間，總面積約為3.68萬(wàn)km2，轄4區(qū)13縣。地勢(shì)西北高、東南低，海拔高程399～2 835 m。張家口市分屬永定河、潮白河、大清河、灤河和內(nèi)陸河水系，境內(nèi)官?gòu)d水庫(kù)為首都用水提供保障[22]，是首都重要的水源涵養(yǎng)地。該市為溫帶大陸性季風(fēng)氣候[23]，降水集中在夏季，多年平均降水量為452 mm，年平均氣溫7.5 °C。截至2020年底，張家口市總?cè)丝跒?11.89萬(wàn)人，GDP為160億元，土地利用類型以耕地、林地和草地為主，其中林地面積占比最大，為37.10%。就林分結(jié)構(gòu)而言，針葉林占比為12.11%，闊葉林占比為38.94%，灌木占比為48.95%。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括遙感影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和林地?cái)?shù)據(jù)等。張家口市1990年、2000年、2010年Landsat-TM影像和2020年Landsat-OLI影像主要源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)（http://www.gscloud.cn/），分辨率為30 m。結(jié)合ENVI軟件，通過(guò)人工目視解譯得到4個(gè)時(shí)期的土地利用類型數(shù)據(jù)，參照國(guó)家基本資源與環(huán)境本底動(dòng)態(tài)遙感調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)的分類體系，結(jié)合研究區(qū)土地利用類型特征，將土地利用類型分為耕地、園地、林地、草地、建設(shè)用地、交通運(yùn)輸用地、水域和未利用地8大類，土地利用影像解譯總體精度分別為86.82%，88.92%，90.46%及90.23%，各地類Kappa系數(shù)均超過(guò)0.80，能夠滿足本研究的需要，基于土地利用類型數(shù)據(jù)提取研究期內(nèi)林地?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)行林地時(shí)空變化研究。地形數(shù)據(jù)包括海拔、坡度，坡度數(shù)據(jù)通過(guò)ASTER GDEM（30 m分辨率）高程數(shù)據(jù)提取得到；氣象數(shù)據(jù)包括逐月降水量、逐月蒸發(fā)量數(shù)據(jù)等，來(lái)源于國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)—國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.geodata.cn），分辨率為1 km，基于ArcGIS軟件平臺(tái)運(yùn)用柵格圖層進(jìn)行波段提取并分別計(jì)算得到1990年、2000年、2010年及2020年年平均降水量及蒸發(fā)量；土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)（Harmonized World Soil Database version 1.1）（HWSD）中的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集，分辨率為300 m；1985年、2000年及2015年林分結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來(lái)源于張家口市林業(yè)局提供的森林資源清查數(shù)據(jù)，借助ArcGIS軟件重采樣到30 m分辨率，2020年林分結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來(lái)源于《1∶1 000 000中國(guó)植被圖集》，分辨率為1 km。將所有空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一到西安80坐標(biāo)系高斯-克呂格投影，并轉(zhuǎn)化為300 m×300 m柵格圖層。

2 研究方法

2.1 林地變化分析

借助土地利用轉(zhuǎn)移矩陣將林地向其他地類的轉(zhuǎn)換歸為林地減少的方向，將其他地類向林地的轉(zhuǎn)換歸為林地增加的方向，將其他地類之間的轉(zhuǎn)換以及林地自身之間的轉(zhuǎn)換歸為林地未發(fā)生變化的方向，據(jù)此對(duì)研究期內(nèi)張家口市林地?cái)?shù)量的變化進(jìn)行分析。

2.2 水源涵養(yǎng)量計(jì)算

常用的水源涵養(yǎng)評(píng)估方法包括綜合蓄水法、土壤蓄水法、水量平衡法、綜合指數(shù)法等。綜合蓄水法綜合考慮了林冠層、枯落物層和土壤層，考慮層次較多、實(shí)際操作較難；土壤蓄水法只考慮了土壤層的作用，忽略了枯落物層和林冠層的蒸散發(fā)，誤差較大；綜合指數(shù)法操作較復(fù)雜且專家打分存在一定的主觀性；水量平衡法將水源涵養(yǎng)量以產(chǎn)水量近似表示，在干旱半干旱地區(qū)年降水量小于400 mm的情況下，森林水源涵養(yǎng)能力的評(píng)估側(cè)重于維持系統(tǒng)和供給水源的功能，以產(chǎn)水量為指標(biāo)能夠充分反映森林提供水源的能力，與研究目標(biāo)更加契合[24]。然而，簡(jiǎn)單地以產(chǎn)水量作為研究指標(biāo)忽略了森林生態(tài)的具體過(guò)程，理論上存在缺陷，因此，本研究采用調(diào)整后的水量平衡法，在基于InVEST模型得到研究區(qū)產(chǎn)水量的基礎(chǔ)上減掉區(qū)域地表徑流量，從而對(duì)張家口市水源涵養(yǎng)量進(jìn)行測(cè)算[25]，其表達(dá)式為

式中Cxj為區(qū)域水源涵養(yǎng)量，mm ；Yxj為年產(chǎn)水量，mm ；Ri為地表徑流量，mm。

式中Exj為柵格單元x中土地利用類型j的年實(shí)際蒸散發(fā)量，Px為柵格單元x的多年平均降水量。

式中Rij為干燥指數(shù)，表示潛在蒸發(fā)量與降雨量的比值，ωi為修正植被年可用降水量與降水量的比值。

式中k為蒸散系數(shù)，T0為作物潛在蒸散量，mm；H為太陽(yáng)頂層大氣輻射，W/m2[26]，Tavg、Td分別為最高日均溫和最低日均溫的平均值和差值，℃；Ai為可利用含水率，%；Msd為最大土層厚度，cm；Rd為根系深度，cm；Ci為植被可利用水，Ssand為土壤沙礫含量，%；Ssilt為土壤粉粒含量，%；Sclay為土壤黏粒含量，%；Om為土壤有機(jī)質(zhì)含量，g/kg；Z為Zhang系數(shù)，表征降水季節(jié)性特征。

2.3 林地與水源涵養(yǎng)功能關(guān)系分析

定量測(cè)算林地面積、林分結(jié)構(gòu)與水源涵養(yǎng)量之間的關(guān)系可以得到直觀的數(shù)據(jù)并基于此對(duì)林地布局進(jìn)行合理的調(diào)整。由于林地分布、林分結(jié)構(gòu)及水源涵養(yǎng)量均為柵格圖層，數(shù)據(jù)量較大，無(wú)法直接進(jìn)行定量關(guān)系分析，因此借助漁網(wǎng)工具生成規(guī)則采樣網(wǎng)格，對(duì)柵格數(shù)據(jù)采樣后進(jìn)行統(tǒng)一處理分析。在創(chuàng)建漁網(wǎng)網(wǎng)格過(guò)程中，不同網(wǎng)格尺度所獲取的數(shù)據(jù)量不同，需要注意避免數(shù)據(jù)冗余影響結(jié)果精度或數(shù)據(jù)過(guò)少不能有效表征研究對(duì)象之間的關(guān)系等問(wèn)題，此外，若只獲取一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析會(huì)存在結(jié)果誤差且無(wú)法得出規(guī)律性特征，因此通過(guò)多次提取試驗(yàn)，在操作過(guò)程中選擇創(chuàng)建1 km×1 km、2 km×2 km及3 km×3 km的網(wǎng)格對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取并運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和相關(guān)性分析，最終得到林地面積與水源涵養(yǎng)量的定量關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 張家口市林地時(shí)空變化特征

3.1.1 林地面積變化特征

將張家口土地利用類型重分類為林地和非林地并得到圖1，研究期內(nèi)張家口市林地分布具有明顯的空間集聚特征且分布范圍不斷擴(kuò)大。1990年林地集中分布在海拔較高的赤城縣、崇禮縣、尚義縣及涿鹿縣和蔚縣交界處；2000年林地分布格局與1990年基本一致，集中分布在研究區(qū)北部及東南部；2010年林地面積向研究區(qū)北部的張北縣和康保縣擴(kuò)展；2020年林地面積顯著增加，赤城縣、崇禮縣、張北縣、康?？h、涿鹿縣和蔚縣的林地分布擴(kuò)展明顯。

圖1 1990-2020年張家口市林地空間分布Fig.1 Distribution of forestland in Zhangjiakou City from 1990 to 2020

運(yùn)用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算研究期內(nèi)張家口市林地面積變化并得到表1和圖2。1990—2020年張家口市林地面積持續(xù)增加，由9 144.99 km2增加至13 650.36 km2，增幅達(dá)49.27%。其中，1990—2000年，林地面積變化較小，林地凈增加面積為561.31 km2，主要發(fā)生在蔚縣和康?？h，林地減少面積為7.48 km2；2000—2010年，林地面積共增加1 351.41 km2，增加的林地主要分布于下花園區(qū)以及研究區(qū)北部的張北縣、尚義縣、赤城縣等縣，這一時(shí)期林地減少的面積為39.55 km2，減少的林地主要位于萬(wàn)全縣和蔚縣；2010—2020年，林地面積顯著增加，由11 057.71 km2增加為13 650.36 km2，這一時(shí)期赤城縣、崇禮縣、沽源縣、尚義縣、涿鹿縣、宣化縣等較多縣域林地面積均有較大增加，而林地減少的面積與前兩個(gè)時(shí)段相比也有所提高，為412.71 km2，減少的林地主要來(lái)源于陽(yáng)原縣、懷來(lái)縣、康?？h等縣。

表1 1990-2020年張家口市林地面積變化Table 1 Changes of forestland area in Zhangjiakou City from 1990 to 2020km2

圖2 1990—2020年張家口市林地空間變化Fig.2 Changes of forestland in Zhangjiakou City from 1990 to 2020

3.1.2 林分結(jié)構(gòu)變化特征

受數(shù)據(jù)獲取影響，2020年張家口市林分結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分辨率為1 km，而1985年、2000年及2015年林分結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分辨率均為30 m，1 km分辨率數(shù)據(jù)在市域?qū)用婢容^低，因此選用1985年、2000年及2015年數(shù)據(jù)對(duì)張家口市林分結(jié)構(gòu)的演化特征進(jìn)行分析（圖3），并統(tǒng)計(jì)得到表2。1985—2015年，研究區(qū)針葉林、闊葉林及灌木面積均持續(xù)增加，其中闊葉林主要分布在研究區(qū)東部并逐漸向西部擴(kuò)展，3個(gè)時(shí)期面積分布均最廣，分別占林地總面積的57.67%、58.45%及58.03%，增長(zhǎng)率為75.40%。灌木主要分布在研究區(qū)東部的赤城縣、崇禮縣等縣并逐漸向研究區(qū)中部及東部擴(kuò)展，增速最快，由1985年的2 076.66 km2增長(zhǎng)為2015年的4 062.79 km2，增速達(dá)95.64%。針葉林在張家口市林地總面積中所占比例最低，增長(zhǎng)率最低，增速僅為36.02%，主要分布在研究區(qū)北部的沽源縣、崇禮縣等縣并向南部擴(kuò)展。

表2 1985-2015年張家口市不同林分結(jié)構(gòu)面積及占比Table 2 Area and proportion of different forestland structures in Zhangjiakou City from 1985 to 2015

圖3 1985-2015年張家口市林分結(jié)構(gòu)分布Fig.3 Distribution of forestland structure in Zhangjiakou City from 1985 to 2015

3.2 張家口市水源涵養(yǎng)功能時(shí)空變化特征

1990—2020 年，張家口市平均水源涵養(yǎng)量呈先減少后增加再減少的變化趨勢(shì)，其中1990年平均水源涵養(yǎng)量最高，為146.01 mm，2000年平均水源涵養(yǎng)量最低，為82.35 mm，2010年和2020年張家口市平均水源涵養(yǎng)量分別為142.50及126.35 mm。1990—2020年張家口市水源涵養(yǎng)量空間分布格局如圖4所示，水源涵養(yǎng)功能整體表現(xiàn)為東部及南部高、中部及西部低的分布格局。1990—2000年水源涵養(yǎng)量較高值區(qū)分布范圍縮小，僅在東部和南部的崇禮縣、赤城縣和沽源縣交界處、涿鹿縣和蔚縣交界處以及蔚縣南部等海拔較高的地區(qū)水源涵養(yǎng)量較高，而在研究區(qū)中部及西部的大部分地區(qū)較低。2000—2010年研究區(qū)北部的赤城縣、張北縣、尚義縣等縣域水源涵養(yǎng)量明顯增加，而萬(wàn)全縣、懷安縣、宣化縣、陽(yáng)原縣等壩下平原地區(qū)的水源涵養(yǎng)量仍較低。2010—2020年張家口市北部壩上高原地區(qū)的赤城縣、崇禮縣、沽源縣、張北縣、康保縣及南部涿鹿縣及蔚縣等山區(qū)的水源涵養(yǎng)量較高，而在中部及西部的懷安縣、萬(wàn)全縣、陽(yáng)原縣、宣化縣等縣的水源涵養(yǎng)量較低。

圖4 張家口市水源涵養(yǎng)量空間分布Fig.4 Spatial distribution of water conservation in Zhangjiakou City

由張家口市水源涵養(yǎng)功能變化圖5可知，與1990相比，2000年水源涵養(yǎng)量增加的區(qū)域范圍較小，集中分布在研究區(qū)北部的赤城縣、崇禮縣、張北縣、尚義縣、康?？h和沽源縣，而研究區(qū)南部地區(qū)水源涵養(yǎng)量普遍呈減少趨勢(shì)；相較于2000年，2010年研究區(qū)大部分地區(qū)水源涵養(yǎng)量增加，水源涵養(yǎng)量的減少僅發(fā)生在蔚縣和涿鹿縣交界處；2010—2020年研究區(qū)東部及北部水源涵養(yǎng)量普遍增加而中部及西部的陽(yáng)原縣、懷安縣、萬(wàn)全縣等縣水源涵養(yǎng)量減少，與這一時(shí)期林地的變化呈現(xiàn)出一定的相似性。

圖5 1990-2020年張家口市水源涵養(yǎng)量變化Fig.5 Changes of water conservation in Zhangjiakou City from 1990 to 2020

3.3 張家口市林地與水源涵養(yǎng)功能關(guān)系分析

3.3.1 林地面積與水源涵養(yǎng)功能關(guān)系的定性分析

由圖1和圖4可見(jiàn)，林地和水源涵養(yǎng)功能空間分布均表現(xiàn)為東部及南部高，中部及西部低的空間分布格局，二者在空間分布上具有較好的一致性。在GIS技術(shù)支持下，將1990—2020年間林地空間分布圖和對(duì)應(yīng)年份的水源涵養(yǎng)功能空間分布圖疊加，統(tǒng)計(jì)分析1990—2020年張家口市各區(qū)縣林地面積和平均水源涵養(yǎng)量的關(guān)系（圖6）。結(jié)果表明，林地面積較多的縣其平均水源涵養(yǎng)量較高，而林地面積較少的縣其平均水源涵養(yǎng)量較低。1990—2020年林地面積分布較大的縣為赤城縣、崇禮縣、沽源縣、涿鹿縣、尚義縣等縣，平均水源涵養(yǎng)深度較高的縣為赤城縣、崇禮縣、涿鹿縣、沽源縣、懷來(lái)縣等縣?？梢?jiàn)，張家口市林地與水源涵養(yǎng)功能在空間分布上呈現(xiàn)出高度一致性。

3.3.2 林地面積與水源涵養(yǎng)功能關(guān)系的定量分析

為探討張家口市水源涵養(yǎng)量與林地面積關(guān)系的規(guī)律，借助漁網(wǎng)工具分別創(chuàng)建1 km×1 km、2 km×2 km及3 km×3 km的網(wǎng)格并提取張家口市林地面積及水源涵養(yǎng)量，借助SPSS軟件對(duì)林地面積及水源涵養(yǎng)量進(jìn)行定量分析。由于數(shù)據(jù)量過(guò)大會(huì)造成數(shù)據(jù)冗余、影響分析精度，因此在剔除無(wú)效數(shù)據(jù)組后運(yùn)用隨機(jī)抽樣分別抽取合適的樣本量進(jìn)行分析并得到圖7。

圖7 張家口林地面積與水源涵養(yǎng)量關(guān)系定量分析Fig.7 Quantitative analysis of the relationship between forest area and water conservation in Zhangjiakou City

基于上述3個(gè)尺度提取出的1990—2020年張家口市林地面積（m2）與水源涵養(yǎng)量（mm）的P值均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。圖中曲線為總計(jì)擬合線，是根據(jù)平面上離散點(diǎn)組所表示的坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系繪制的，能代表數(shù)據(jù)組的變化趨勢(shì)。1 km網(wǎng)格提取后分析結(jié)果顯示，1990—2020年水源涵養(yǎng)量均隨林地面積增加呈先增加后減少的變化趨勢(shì)，當(dāng)林地面積達(dá)到格網(wǎng)面積的一半即50萬(wàn)m2時(shí)，水源涵養(yǎng)量達(dá)到峰值；2 km網(wǎng)格提取結(jié)果顯示，1990—2020年水源涵養(yǎng)量隨林地面積增加呈先增加后減少的趨勢(shì)，當(dāng)林地面積達(dá)到格網(wǎng)面積的一半即200萬(wàn)m2時(shí)，水源涵養(yǎng)量達(dá)到峰值；3 km網(wǎng)格提取結(jié)果同樣呈倒“U”型，即研究期內(nèi)隨林地面積增加水源涵養(yǎng)量先增加后減少，當(dāng)林地面積達(dá)到格網(wǎng)面積的一半即450萬(wàn)m2時(shí)，水源涵養(yǎng)量達(dá)到峰值。由此可推，當(dāng)采樣區(qū)域內(nèi)林地面積達(dá)到采樣區(qū)總面積的1/2時(shí)，采樣區(qū)內(nèi)水源涵養(yǎng)量達(dá)到最大值，若將采樣尺度不斷擴(kuò)大并將研究區(qū)域看作多個(gè)網(wǎng)格的組合，則可將柵格采樣得到的微觀尺度上的結(jié)論推廣至中觀尺度，因此研究認(rèn)為，當(dāng)林地面積超過(guò)區(qū)域總面積的1/2時(shí)，區(qū)域水源涵養(yǎng)功能不再隨林地面積增加而增強(qiáng)，即林地的水源涵養(yǎng)功能存在閾值，超過(guò)閾值后，水源涵養(yǎng)量開(kāi)始下降。

3.3.3 林分結(jié)構(gòu)與水源涵養(yǎng)功能關(guān)系分析

由于本文僅計(jì)算了1990、2000、2010及2020年的水源涵養(yǎng)量，而獲取到的林分結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為1985、2000、2015及2020年，因此僅對(duì)2000年及2020年張家口市林分結(jié)構(gòu)及水源涵養(yǎng)量進(jìn)行分析。借助GIS工具，統(tǒng)計(jì)不同林分結(jié)構(gòu)地塊上的平均水源涵養(yǎng)量，結(jié)果如表3所示。2000及2020年不同林分結(jié)構(gòu)的平均水源涵養(yǎng)量均表現(xiàn)為闊葉林最高，針葉林次之，灌木再次，非林地水源涵養(yǎng)量最低。這是因?yàn)閱棠玖值目葜β淙~中含有大量的木質(zhì)素、酚類化合物等，不易被分解，可以有效減少地表徑流，因此水源涵養(yǎng)能力強(qiáng)于灌木。此外，與2000年相比，2020年各林分結(jié)構(gòu)的水源涵養(yǎng)量普遍上升，不同林分結(jié)構(gòu)之間的平均水源涵養(yǎng)量差距縮小，這是因?yàn)榻陙?lái)研究區(qū)降雨量增加，林地水分補(bǔ)給來(lái)源增多，林地生長(zhǎng)環(huán)境得到改善，各林分結(jié)構(gòu)的水源涵養(yǎng)能力普遍增強(qiáng)。

表3 2000-2020年張家口市不同林分結(jié)構(gòu)平均水源涵養(yǎng)量Table 3 Average water conservation of different forest structures in Zhangjiakou City from 2000 to 2020mm

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

張家口市地處北京上風(fēng)上水的位置，發(fā)揮著涵養(yǎng)水源、保持水土、防風(fēng)固沙的重要作用，自1978年起先后實(shí)施了“三北”防護(hù)林建設(shè)、京津風(fēng)沙源治理、退耕還林等一系列生態(tài)文明建設(shè)工程，使得研究期內(nèi)林地不斷擴(kuò)展，林地面積共增加4 505.37 km2，主要分布在地形較為崎嶇的赤城縣、崇禮縣、涿鹿縣、蔚縣、懷來(lái)縣等縣。張家口市水源涵養(yǎng)功能高值區(qū)主要分布在海拔較高的東部和南部山區(qū)，這里山高坡陡，受人類活動(dòng)影響較弱，林地分布面積廣泛，其水源涵養(yǎng)功能較高。而中部和西部陽(yáng)原縣、懷安縣、萬(wàn)全縣、宣化區(qū)等區(qū)縣林地面積較少，是水源涵養(yǎng)功能低值區(qū)主要分布區(qū)域，林地的時(shí)空分布格局與水源涵養(yǎng)功能具有較好地一致性。

研究期內(nèi)不同采樣尺度采樣結(jié)果均呈現(xiàn)出隨林地面積的持續(xù)增加水源涵養(yǎng)量增加，當(dāng)林地面積超過(guò)區(qū)域總面積的1/2時(shí)水源涵養(yǎng)量開(kāi)始降低的變化趨勢(shì)，這說(shuō)明林地面積對(duì)水源涵養(yǎng)量的促進(jìn)作用存在閾值。這與LI等[27]的研究結(jié)果相一致，造成該結(jié)果的原因是干旱半干旱地區(qū)快速增加的林地面積使得植被蒸騰作用增強(qiáng)，徑流量和土壤含水量減少，進(jìn)而導(dǎo)致水源涵養(yǎng)功能降低。同時(shí)XU等[28]發(fā)現(xiàn)持續(xù)增加的森林覆蓋率會(huì)減少河流徑流量，進(jìn)而導(dǎo)致區(qū)域水源涵養(yǎng)功能降低，為本研究結(jié)果提供了支持。因此，張家口市在對(duì)林地進(jìn)行規(guī)劃和建設(shè)的過(guò)程中不能一味追求林地面積的持續(xù)增加，而應(yīng)確定最合理的林地種植面積，從而保證林地水源涵養(yǎng)能力的完全發(fā)揮。通過(guò)對(duì)不同林分結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，闊葉林的水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng)，灌木次之，而針葉林的水源涵養(yǎng)能力最弱，這與彭娓等的研究結(jié)果相一致[29-30]。此外，其他相關(guān)研究也表明，就水源涵養(yǎng)能力而言原生林強(qiáng)于次生林[31]，混交林強(qiáng)于純林[32]。因此，張家口市的林地規(guī)劃也要考慮不同樹(shù)種之間的搭配種植，優(yōu)化樹(shù)種結(jié)構(gòu)，豐富樹(shù)種多樣性。根據(jù)實(shí)地調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前張家口市退耕還林的林種以經(jīng)濟(jì)林為主，其中果林所占比重較大，林果產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值超139.7億元，對(duì)該市農(nóng)民收入的貢獻(xiàn)率超過(guò)20%，未來(lái)張家口市應(yīng)合理規(guī)劃經(jīng)濟(jì)林與其他林種的種植面積，同時(shí)注重混交林與原生林的種植，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)保護(hù)協(xié)同發(fā)展。同時(shí)對(duì)張家口市不同地區(qū)的林地應(yīng)實(shí)施差異化管護(hù)，如對(duì)壩上防護(hù)林區(qū)實(shí)施撫育管護(hù)和林地質(zhì)量提升；對(duì)壩下水源涵養(yǎng)林區(qū)實(shí)施封山育林和補(bǔ)植補(bǔ)造；對(duì)經(jīng)濟(jì)林區(qū)采取森林質(zhì)量提升措施。

本文僅對(duì)張家口市林地與水源涵養(yǎng)功能之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，僅能從林地面積和林分結(jié)構(gòu)角度為水源涵養(yǎng)功能的提高提供參考，除林地面積和林分結(jié)構(gòu)外水源涵養(yǎng)量還受林地質(zhì)量、土壤、降水量、土地利用等其他因素的影響[33-34]，同樣，對(duì)林地規(guī)劃建設(shè)而言也僅能從水源涵養(yǎng)功能這一角度出發(fā)提供建議，在進(jìn)行林地規(guī)劃和最優(yōu)化布局過(guò)程中還應(yīng)考慮防風(fēng)固沙、水土保持、生物多樣性等其他生態(tài)服務(wù)功能及地形等其他因素的影響。因此未來(lái)研究應(yīng)對(duì)影響水源涵養(yǎng)功能的各因素進(jìn)行定量研究，綜合調(diào)控各種因素從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域水源涵養(yǎng)功能的完全發(fā)揮，同時(shí)根據(jù)各生態(tài)服務(wù)功能重要性和其他因素進(jìn)行最合理的林地規(guī)劃種植。

4.2 結(jié) 論

本文以張家口市為案例區(qū)，借助遙感影像數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、林地?cái)?shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，運(yùn)用InVEST模型、SPSS模型等模型系統(tǒng)分析了1990—2020年張家口市林地和水源涵養(yǎng)功能的時(shí)空分布特征及其相互關(guān)系，得到如下結(jié)論：

1）1990—2020 年張家口市林地面積持續(xù)增加且具有明顯的空間集聚特征，林地主要分布在研究區(qū)東部及南部。就林分結(jié)構(gòu)而言，闊葉林所占面積最大，在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布；灌木主要分布在研究區(qū)東部及中部，增速最快；針葉林所占比重較少、增速較慢，僅在研究區(qū)北部的沽源縣、崇禮縣等縣分布較多。

2）1990—2020 年研究區(qū)水源涵養(yǎng)功能整體表現(xiàn)為東部及南部高，中部及西部低的空間分布格局，其平均水源涵養(yǎng)量呈現(xiàn)出先減少后增加再減少的趨勢(shì)，1990年平均水源涵養(yǎng)量最高，2000年平均水源涵養(yǎng)量最低。

3）研究期內(nèi)張家口市林地分布與水源涵養(yǎng)功能的分布在空間上呈現(xiàn)出高度一致性。隨林地面積增加，水源涵養(yǎng)量呈先增加后減少的變化趨勢(shì)，當(dāng)林地面積達(dá)到格網(wǎng)面積的1/2時(shí)，格網(wǎng)內(nèi)水源涵養(yǎng)量達(dá)到峰值。不同林分結(jié)構(gòu)的水源涵養(yǎng)量能力從大到小排序?yàn)殚熑~林、針葉林、灌木。